Поступив в 1924 г. в Киевский политехнический институт на механический факультет, Королев за два года освоил в нем общие инженерные дисциплины и стал спортсменом-планеристом. Осенью 1926 г. стало ясно, что авиационное отделение при факультете открыто не будет, и руководство вуза рекомендовало желающим получить авиационное техническое образование перевестись в Москву. Так Сергей оказался на вечернем отделении МВТУ им. Баумана. Одновременно он работал разносчиком газет, столяром, а затем устроился на завод Всесоюзного авиационного объединения им. Менжинского. К этому времени юноша уже получил некоторую известность как способный авиаконструктор и опытный пилот, окончивший Московскую школу летчиков-планеристов.
Благодаря полученным в школе навыкам пилотирования Королев сам превосходно летал на планерах собственной конструкции. Некоторые из них уже тогда обращали на себя внимание знатоков, отличаясь повышенной прочностью и чуть ли не вдвое большей удельной нагрузкой на крыло. Недаром на планере «“СК-3” — Красная звезда» известный летчик В. А. Степанченок впервые в мире совершил мертвую петлю Нестерова, да не одну, а три подряд. Примечательно, что уже тогда Сергей сразу готовил свои планеры для установки на них реактивного двигателя и превращения в ракетопланы. Свой дипломный проект в МВТУ — разработку легкомоторного двухместного самолета «СК-4» — талантливый студент выполнил под руководством будущего академика А. Н. Туполева. Этот самолет был построен в единственном экземпляре и проходил в 1930 г. летные испытания, но из-за отказа списанного двигателя потерпел аварию и разбился. К счастью, пилот отделался незначительными ушибами, но для возрождения своего первенца у конструктора не было средств.
Спроектированные и построенные летательные аппараты Королева — планеры «Коктебель», «Красная звезда» и легкий самолет «СК-4», предназначенный для достижения рекордной дальности полета, — выявили его незаурядные способности как авиационного конструктора. Однако юношу больше увлекали полеты в стратосфере и принципы реактивного движения. В это время он перенес тиф и трепанацию черепа и на несколько месяцев вышел из строя — просидел дома по временной инвалидности. Именно тогда Сергей познакомился с работой К. Э. Циолковского «Реактивный аэроплан», а затем проштудировал все его книги, какие только смог достать.
Идеи Циолковского о полетах на другие планеты глубоко проникли в душу молодого инженера и овладели им на всю жизнь. Но при всем романтическом складе своего характера Сергей всегда трезво смотрел на вещи, ставил перед собой хотя и трудные, но выполнимые задачи. Он понимал, что к вопросам реактивного движения важно привлечь общественность. В сентябре 1931 г. Королев вместе с талантливым энтузиастом в области ракетных двигателей Ф. А. Цандером добился создания в Москве общественной организации — Группы изучения реактивного движения (ГИРД) при Центральном совете Осоавиахима. Уже в апреле следующего года она стала по существу государственной научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов, в которой были созданы и опробованы первые советские жидкостно-баллистические ракеты «ГИРД-09» и «ГИРД-10».
В августе 1931 г. Сергей женился на своей школьной подруге Ксении Винцентини, которая после окончания Харьковского мединститута работала в Алчевске. Молодые стали жить в Москве, и спустя четыре года у них родилась дочь Наталка.
В это время Королев работал начальником отдела ракетных летательных аппаратов в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ), созданном на базе двух организаций — ГИРД и Ленинградской газодинамической лаборатории. Сергей Павлович руководил полетными испытаниями первых отечественных жидкостных ракет «09» (конструкции М. К. Тихонравова) и «ГИРД-Х» (конструкции Ф. А. Цандера), подготовил к печати книгу «Ракетный полет в стратосфере» и экспериментировал с крылатой ракетой «06/1», созданной под его руководством. В 1936 г. молодой ученый создал конструкцию ракетоплана «318-1», обосновав технические требования к самолету с ракетным двигателем.
После расстрела маршала Тухачевского и группы командиров Красной Армии летом 1937 г. некоторые сотрудники РНИИ, в котором работал Королев, были арестованы как «участники троцкистской вредительской организации». Сам Сергей Павлович более года находился под секретным надзором, затем был исключен из рядов ВКП(б) и понижен в должности, а 27 июля 1938 г., после аварии во время стендового испытания ракеты, — арестован. Через два месяца Военная коллегия Верховного суда СССР осудила его на 10 лет лишения свободы, с ограничением в правах на 5 лет и конфискацией личного имущества. Местом отбывания наказания была определена Колыма, золотодобывающий прииск Мальдяк.